大跨度球壳结构的风洞试验与风振响应分析关键技术

论文摘要

大跨屋盖结构的抗风设计理论是当前结构风工程研究中相对薄弱但又十分重要的一环。本文以实际工程为背景,采用风洞试验、数值模拟和理论推导等方法,对球面网壳结构的风荷载特性、风振响应规律、等效静风荷载确定以及脉动风的频率补偿等问题展开研究。主要工作包括以下几方面:1、设计并完成一大跨度球面网壳结构的刚性模型风洞测压试验,同时进行了CFD数值模拟,结果表明两者吻合较好;在此基础上,对球壳表面的平均风压、脉动风压和极值风压等进行研究,给出了设计建议取值。2、探讨了相邻建筑对球壳的风致静力及动力干扰效应,结果表明,周边建筑对球壳平均风压的影响以阻碍效应为主,其结果是降低了来流动能,提高了来流湍流度;动力干扰主要表现为增大效应,当受扰球壳处于施扰建筑的下游时,动力干扰效应较大。3、分析了由于缩尺比导致的风洞试验采样频率不足问题,指出在同时满足以下两个条件时应考虑频率补偿问题:①必须考虑结构风致共振响应;②风洞试验可分辨的最大频率小于结构的主导频率;在此基础上,提出了一种实用的频率补偿方法,使现行的通过风洞试验来确定结构脉动风荷载的技术得到改进。4、通过对现行规范风振系数方法的剖析,指出其在表达结构等效静风荷载时所存在的本质缺陷,提出了一种面向工程应用的等效静风荷载简化表达方法,并推导了等效静风荷载背景分量及共振分量的确定公式,最后通过算例验证了该方法的正确性。本文的研究工作涵盖了大跨屋盖结构抗风研究的主要内容,既是对以往研究工作的系统总结,也有一些质的提升。例如,关于风洞试验的脉动风荷载频率补偿问题和等效静风荷载的简化表达问题,均属首次提出。通过本文工作,对这两个一直困扰大跨屋盖结构抗风研究的问题初步给出了解决方案,其理论意义和工程实用价值都是十分明显的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 大跨屋盖结构风荷载研究现状
• 1.2.1 风洞试验研究现状
• 1.2.2 CFD数值模拟研究现状
• 1.2.3 风致干扰效应研究现状
• 1.3 大跨屋盖结构风振响应研究现状
• 1.3.1 时域分析方法
• 1.3.2 频域分析方法
• 1.4 大跨屋盖结构等效静风荷载研究现状
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 大跨度球壳结构的风荷载特性研究
• 2.1 风洞试验研究
• 2.1.1 工程概况
• 2.1.2 风洞试验设备
• 2.1.3 测量系统
• 2.1.4 试验方法
• 2.1.5 试验数据处理
• 2.1.6 试验结果分析
• 2.2 CFD数值模拟研究
• 2.2.1 基本原理和计算方法
• 2.2.2 模拟参数设置
• 2.2.3 数值模拟结果与风洞试验结果对比分析
• 2.3 风致静力干扰效应研究
• 2.3.1 各风向角下的干扰效应
• 2.3.2 不同间距下的干扰效应
• 2.3.3 周边建筑物的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 脉动风荷载的频率补偿问题
• 3.1 频率补偿问题的提出
• 3.1.1 建筑表面脉动风荷载的确定方法
• 3.1.2 频率补偿问题的提出
• 3.2 频率补偿问题的物理内涵
• 3.2.1 背景响应和共振响应
• 3.2.2 各阶振型响应的应变能贡献
• 3.2.3 风荷载高频部分对结构响应的影响
• 3.3 频率补偿方法
• 3.3.1 脉动风荷载自谱的补偿
• 3.3.2 脉动风荷载互谱的补偿
• 3.3.3 频率补偿方法的主要步骤
• 3.3.4 计算结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 球壳结构的风振响应与等效静风荷载研究
• 4.1 风振响应分析
• 4.1.1 风振响应分析方法
• 4.1.2 计算模型
• 4.1.3 自振特性分析
• 4.1.4 计算结果
• 4.2 风致动力干扰效应研究
• 4.2.1 干扰因子分布特征
• 4.2.2 干扰机理探讨
• 4.3 等效静风荷载探讨
• 4.3.1 等效静风荷载分析方法
• 4.3.2 对传统风振系数的探讨
• 4.3.3 等效静风荷载的实用化分析方法
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢